Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

171

при этом еще станет очень пластичным. Если же тесто оставить на

воздухе, то оно скоро покроется твердой корочкой и постепенно

окаменеет. В чистом виде использовать известковый клей нельзя,

так как он быстро рассохнется и растрескается. Для того чтобы

этого не произошло в известковый клей добавляют песок и

перемешивают. Такая смесь называется известковым раствором, а

затем происходит процесс перехода растворной смеси в твердое

состояние.

Потребности римлян с их интенсивным строительством

подтолкнули их к выявлению принципиально новых добавок для

бетонов и растворов. Используя опыт этрусков и греков, они

хорошо знали, что если к известковому тесту добавить не просто

обыкновенный песок и камень, а кирпичный песок и кирпичные

камни, то соединение будет твердеть в воде. В последствии

кирпичную или черепичную добавку стали называть цемянкой.

Другой распространенной и дожившей до наших времен добавкой

древнеримские строители использовали пуццолану (гидравлическая

добавка вулканического происхождения). Одним из первых

сооружений, при строительстве которого была использована

пуццолана в качестве гидравлической добавки в бетон. Таким

способом был изготовлен волнолом в окрестностях Неаполя,

который сохранился до наших дней. В древнем Риме использовали

также бетоны на романцементах. Исследования опор моста,

выполненные уже в наше время, показали, что романцементы

получены путем обжига местных глинистых пород. В Англии

сохранилась и действует поныне дорога, построенная римлянами

2000 лет назад, для самых тяжелых эксплуатационных нагрузок

нашего времени, порядка 15 т на ось автомобиля.

Современные бетон и железобетон. Бетон – композит,

искусственный строительный материал, получаемый в результате

твердения смеси вяжущего материала, заполнителей и специальных

добавок. Долговечность бетона означает, что строительные

элементы из бетона при достаточном уходе в течение

предусмотренного срока службы устойчивы ко всем воздействиям.

Механизмы, ухудшающие долговечность бетона:

физические (например, мороз),

- химические (например, сульфатные),

- биологические (например, бактерии),

- механические (например, механический износ).

172

Учет только показателя прочности бетона не является

достаточным для обеспечения долговечности. Одинаковый класс

бетона не означает равноценную долговечность. Все меры, которые

требуются дополнительно при особо высоких нагрузках,

классифицируются как пассивная защита.

В массе бетона всегда имеются поры. Причины,

обуславливающих возникновение пор в бетоне различные. Вода в

порах бетона более предпочтительна, чем кристаллы льда. В табл.

24 представлена классификация размеров пор и модификация воды.

Таблица 24.

Классификация размеров пор и модификация воды.

Тип пор Размеры

пор

Вода в порах

Макрокапилляры 1 мм > R

> 30

мкм

Макроскопическая вода

высокой подви

вижности, точка

замерзания до -20

в соответствии с

зависимостью «ради

ус пор – точка

замерзания»

Мезакапилляры 30 мкм > R

1мкм

Макроскопическая вода

средней подв

ижности, точка

замерзания до -20

в соответствии с

зависимостью «ради

ус пор – точка

замерзания»

Наряду с изменением содержания воды в схватывающемся

цементе в первые сроки высыхания происходит необратимое

уменьшение объема. Типичная кривая усадки бетона, после того

как он достиг равновесного состояния при соответственно

пониженном давлении пара, показана на рис. 24. Усадка не

начинается до тех пор, пока из материала не удалена свободная

вода и не понизилось давление пара.

173

Рис.24. Типичная кривая усадки бетона.

Специальные бетоны. Специальные бетоны используют в

качестве нестроительных вяжущих веществ в таких отраслях, как

рудоподготовка, в черной и цветной металлургии, изготовление

форм и стержней в литейном деле, производство сварочных

материалов и т. д. К специальным бетонам относят все композиты

на основе «несиликатных» цементов – алюминатные, ферритные,

Фосфатные и др., также неорганические связки. Бетоны

специального назначения по применяемым вяжущим

подразделяют на две группы: по фазово - химической

характеристике и по целевому назначению (области применения). В

соответствии с этим различают цементы, затворяемые водой или

иной жидкостью затворения (вяжущие системы), и связки.

Последние подразделяются на щелочные, кислые и связки - золи.

Для большинства неорганических вяжущих характерно

следующее изменение прочности при термообработке

Жаростойкие и огнеупорные бетоны используются при

возведении и эксплуатации сооружений, конструкций и агрегатов,

работающих в условиях повышенных и высоких температур.

Вещественный состав жаростойких и огнеупорных бетонов такой

же, как у обычных (строительных) бетонов: связующие (вяжущие),

компоненты, заполнители, возможно использование добавок

различного назначения – пластификаторов, регуляторов

схватывания и т. д.

174

Классификация вяжущих веществ. Вяжущими системами

называются объекты представляющие в исходном виде подвижные

смеси дисперсных твердых веществ с жидкостями, эти смеси при

определенных физических условиях (температуры, давления)

схватываются и отвердевают, образуя искусственный в результате

химического взаимодействия исходных компонентов и физико –

химических превращений продуктов взаимодействия.

Портландцемент. Твердение портландцемента и других

вяжущих на его основе характеризуется сложным комплексом

взаимосвязанных химических и физико – химических процессов,

которые оказывают влияние на состояние армирующих материалов

и композитов в целом. Цементный камень при высокой влажности

набухает, а при высыхании дает усадку. Усадка цементного камня

имеет место в первый период после затворения и колеблется в

пределах 3 – 5 мкм/м. Полная стабилизация объема наступает через

1 - 2 года. В процессе гидратации цемента объем капиллярного

пространства, заполненный вначале водой затворения, постепенно

заполняется кристаллизующимися новообразованиями и таким

образом относительная плотность, а следовательно, и прочность

цементного камня при воздушно – влажном твердении

повышаются.

По сравнению с другими неорганическими вяжущими

материалами портландцемент обладает низкой водопотребностью.

На портландцемента влияют тонкость помола, вид гидравлической

добавки и другие факторы. Повышенная водопотребность

приводит к увеличению пористости, а следовательно, отрицательно

сказывается и на прочности, морозостойкости,

водонепроницаемости. Снижают водопотребность ПАВ, вводимые

в количестве 0,1 – 0,3% по массе цемента.

Глиноземистый цемент. В глиноземистый цемент

допускается вводить до 2 % добавок, не ухудшающих его качество.

Иногда в глиноземистый цемент вводят 20 – 30% кислого

доменного гранулированного шлака. Это снижает стоимость

вяжущего, уменьшает усадку и теплопроводность при его

твердении. Зависимость прочности глиноземистого цемента от

температуры показана в табл. 25.

Прочность глиноземистого цемента в зависимости от сроков

твердения характеризуется нормальным ростом прочности при

температуре 50 – 70

С.

175

Таблица 25.

Прочность глиноземистого цемента в зависимости от температуры

твердения.

Предел прочности при сжатии, кг/см

Хранение образцов в воде при температуре,

Срок твердении, сут

18 45

75,4

23,9

17,1

Главным преимуществом глиноземистого цемента перед

портландцементом является быстрое наращивание механической

прочности при твердении. Марка глиноземистого цемента (400,

500, 600) определяется по результатам испытаний образцов

трехсуточного возраста, хранившихся в воде. Через 15 – 18 ч

сооружения, возведенные с использованием глиноземистого

цемента, могут быть введены в эксплуатацию. Максимальная

прочность на 40 – 50% выше марочной, она достигается к 1 – 3

годам твердения. Бетоны на глиноземистом цементе более плотны

и водонепроницаемы, чем на портландцементе.

Гипсовые вяжущие. Композиционные материалы, состоят

из матрицы и наполнителя. В качестве матрицы применяют

неорганические вяжущие, а в качестве наполнителя - стеклянные

волокна. Из воздушных вяжущих стекловолокнами армируют

гипсовые и магнезиальные. Различают низкообжиговые и

высокообжиговые гипсовые вяжущие. Низкообжиговые вяжущие -

быстросхватывающиеся и быстротвердеющие – состоят

преимущественно из полуводного сульфата кальция. На рис. 25

приведена типичная кривая твердения гипса.

В результате сушки прочность гипса увеличивается почти в

два раза. Кратковременное увлажнение гипса вызывает

уменьшение прочности, а при многократном увлажнении

высушивании первоначальная прочность не восстанавливается.

Строительно - технические свойства гипсов характеризуются

маркой, сроками схватывания, и тонкостью помола (ГОСТ 125 –

79). Гипсовые вяжущие обладают большой ползучестью, особенно

в увлажненном состоянии, характеризуются незначительной

адгезией к наполнителям. Магнезиальные вяжущие твердеют на

воздухе с относительной влажностью менее 60%. Их применяют

для получения жаростойких и износостойких материалов.

176

Рис. 25. Изменение прочности гипса во времени.

Особенности свойств композиционных материалов на

основе вяжущих. Вяжущими веществами называют материалы,

способные в определенных условиях (при смешивании с водой,

нагревании и др.) образовывать пластично – вязкое тесто, которое

самопроизвольно или под действием определенных факторов со

временем затвердевают. Главным качественным показателем

вяжущих, является отношение к воздействию воды. По этому

признаку их делят на воздушные и гидравлические. Воздушные

вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность

только на воздухе. Гидравлические вяжущие способны твердеть и

длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и

на воде.

Главнейшими показателями качества вяжущих как

воздушных, так и гидравлических, прочность, скорость твердения и

схватывание. Сроки схватывания необходимо знать, так как все

работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до

начала их схватывания, пока они не потеряли пластичность.

Повторное перемешивание после схватывания, особенно с

добавлением воды, может привести к существенному снижению

прочности материала на этом вяжущем

Такое различие в прочностных характеристиках вызывает

естественное стремление повысить их качество, как

конструктивного материала путем армирования. Для получения

армированных минеральными волокнами изделий и конструкций

используются гидравлические (портландцемент, глиноземистый

цемент) и воздушные (гипсовые и магнезиальные) неорганические

вяжущие, которые характеризуются прежде всего пределами

прочности на изгиб и сжатие через определенные сроки твердения.

Момент, когда система теряет свою подвижность, условно

177

называется периодом схватывания. Сроки этого периода при

испытании в одинаковых условиях для разных соединений различны.

Процессы взаимодействия неорганических вяжущих со

стеклянными волокнами. Свойства стекловолокна зависят прежде

всего от химического состава стекла и способа получения волокна. В

настоящее время известны также щелочестойкие стекла, которые

обладают относительно высокой устойчивостью в среде твердеющего

цементного камня.

Тканые материалы получают в результате текстильной

переработки стекловолокна. Диаметр стекловолокна для текстильной

переработки должен составлять 3 – 14 мкм. Прочность и другие

физико – механические свойства тканей существенно зависят от их

структуры.

К нетканым материалам из непрерывного стекловолокна

относятся холсты из рубленных и непрерывных нитей, ленты из

стеклонитей, стекловолокнистые анизотропные материалы.

Стекловолокна, используемые для нетканых материалов, имеют

диаметр до 20 мкм.

Содержание волокна в стеклогипсе оказывает существенное

влияние на характер его разрушения. Неармированный гипсовый

камень имеет хрупкий излом. Введение волокна повышает его

трещиностойкость. Прочность при изгибе композиций на основе

низкообживого гипса в 2 – 3 раза выше, чем нормированного

вяжущего. Высокие показатели прочности композиций сохраняются

длительное время, что свидетельствует об относительной

устойчивости стекловолокнистой арматуры в среде гипсовых

вяжущих.

Разрушение стеклоцемента может быть результатом

химического взаимодействия матрицы с арматурой, разрушающего

кристаллизационного давления матрицы на арматуру, а также

результатом повышения модуля упругой цементной матрицы в

процессе твердения. Механизм процессов взаимодействия

неорганических вяжущих веществ со стеклянным волокном

определяется природой вяжущего вещества, щелочностью его среды

твердения, поровой и кристаллизационной структурой, а также

составом стекла и состоянием поверхности волокна. Замена стальной

арматуры на стекловолокнистую в железобетонных трубах позволяет

наряду с экономией металла уменьшить их материалоемкость и

повысить качество.

178

§2. Материалы и вещества в индустрии утилизации и

переработки промышленных и бытовых отходов

Классификация отходов. В последние годы в мире

произошел мощный научный всплеск «экологического сознания».

Современные технологии для улучшения материальных и

социальных факторов используют не только материалы с

«экологическими» свойствами, но и вещества, не всегда

приемлемые для существования самого

человека. Высокие

скорости современного технологического процесса позволяют

изменять свойства материалов и веществ, придавая им критические

параметры свойств, которые могут идти либо на пользу человека,

либо во вред.

Отходы - это вещества или предметы, от которых стремиться

избавиться владелец по собственной воле или требованию властей.

Удаление отходов предполагает их сбор, сортировку,

транспортировку,

переработку, обработку, складирование и

обеспечение безопасного хранения.

В России используются следующие способы ликвидации

мусора:

• специально оборудованная свалка;

• компостирование мусора;

• мусоропереработка.

К особо опасным для окружающей среды и здоровья людей

отходам отнесено 600 веществ и соединений:

• пестициды;

• радиоактивные отходы;

• соединения свинца;

• элементы электропитания;

• ядохимикаты;

• остатки средств бытовой химии и др.

Твёрдые бытовые отходы разнородны по составу: пищевые

остатки, бумага, металлолом, резина, стекло, древесина, ткань,

синтетические вещества. Опасные отходы сельского хозяйства, не

обустроенные скотомогильники животных, погибших в период

эпидемий, остатков ядохимикатов, навозохранилища, - вносят

существенный вклад в загрязнения окружающей среды.

При эксплуатации ТЭЦ и подготовки теплотрасс

отопительному сезону образуются кислые обмывочные воды

179

мазутных котлов, хлориднонатриевые стоки, токсичные шлаки.

Добыча твёрдых полезных ископаемых ( уголь, горючие сланцы,

соли, руды, гипс и др.) приводят к складированию огромных

горных пород (терросклады и отвалы), содержащие многие

токсичные элементы и соединения.

Конечный продукт многих технологических процессов

используется человеком на 90% основного продукта и вредных

веществ.

Значительная угроза окружающей среде исходит

из ракетно -

космических систем РКС в виде:

• загрязнения почвы, поверхностных и грунтовых вод

атмосферы высокотоксичными компонентами ракетных топлив;

• поступление вредны веществ, попавших в атмосферу при

эксплуатации РКС, в растительный и животный мир и др.

Значительные радиоактивные отходы образуются в урановой

промышленности, от ядерных реакторов АЭС, мест захоронения

радиоактивных отходов, испытания ядерного оружия.

Причиной избыточного излучения являются отходы

стройматериалов, несовершенство технологий утилизации

отработанного ядерного оружия и элементов АЭС, отслуживших

эксплутационный ресурс, сбросов радиоактивных отходов в

водоёмы и реки, уничтожение нефтехранилищ, складов горюче -

смазочных материалов и нефтеперерабатывающих заводов,

повышение дозы отравляющих веществ в результате разрушений

химических предприятий фармацевтической промышленности.

Например, в результате войн в Югославии и Ираке кислотные

дожди выпали не только на их территории, но и в соседних с ними

странах.

Размыв складов с удобрениями произошёл в результате

больших наводнений в Сибири, Краснодарском и Ставропольском

краях.

Чёрный плотный дым окутывает многие регионы Российской

Федерации. Этот дым есть следствие утилизации одноразовой

упаковочной тары.

При сжигании резины образуется концентрированная сажа и

окислы серы. При сжигании нейлона, поролона, многих

синтетических тканей и покрытий,

полиуретановой обивки мебели

выделяются цианиды. И ручки, и фломастеры, крышки бутылок,

180

выполненных из ПВХ - пластика, при его хранении, - образуют

токсичные вещества.

Способы переработки и утилизации отходов. В практике

утилизации отходов используются следующие основные приёмы:

• осаждение отходов в ил, которые удаляются из

отстойников и складируются на специальных полигонах или

свалках;

• очистка путём спуска сточных вод на специально

подготовленные поля, где они просачиваются через песчаный

грунт, отфильтровываются и осветляются;

• химическая очистка сточных вод при пропускании их через

различные осветлители;

• биологическая очистка;

• термическая обработка осадков;

• физико- химические методы очистки сточных вод:

 их флокуляция опасных компонентов;

 умягчение сточных вод;

 механическая очистка;

 адсорбция, экстракция;

 обратный осмос и ультрафильтрация;

 окислительная очистка.

Физико - химические методы очистки промышленных

сточных вод от конкретных веществ дороже эффективных методов

концептуальной очистки. Перспективными считаются способы

переработки отходов с

применением лазерной техники.

Наиболее безопасными способами удаления отходов является

их складирование.

Различают виды хранилищ:

• отвалы строительного мусора и грунта;

• свалки бытового мусора;

• хранилища специальных отходов.

В хранилищах могут образовываться ядовитые и

взрывоопасные газы. Если свалка не обеспечена защитой от

осадков, наводнений, грунтовых вод, то из хранящихся веществ

вымываются в первую очередь продукты брожения и гниения.

В дымовых газах при сжигании отходов в специальных печах

содержатся пыль и вредные газообразные вещества, вид и

количество которых в неочищенных отходящих газах, конструкции

топки, условий работы всего сжигающего комплекса. В